Développement d'une sonde portable d'imagerie Raman pour guider l'exérèse de tumeur

Suite au diagnostic d'un cancer, l'un des premiers traitements appliqués est la résection du tissu cancéreux par un chirurgien. Afin d'assurer le meilleur pronostic au patient, il est important que le chirurgien minimise la quantité de tissu et de cellules cancéreuses résiduels après la chirurgie puisque celles-ci augmentent la probabilité de récurrence du cancer. Dû au manque actuel d'outils permettant de guider le chirurgien, ce dernier doit bien souvent utiliser l'inspection visuelle et la palpation des tissus pour identifier la nature de ces derniers. Ces techniques sont très subjectives et elles ne sont généralement pas assez sensibles pour identifier les infiltrations de cellules cancéreuses ce qui mène souvent à une résection incomplète ou trop agressive des tissus. Il existe donc un réel besoin pour un instrument capable de guider le chirurgien afin de minimiser les risques associés à la résection et d'assurer une exérèse plus complète de la tumeur. Dans les dernières années, plusieurs sondes basées sur la spectroscopie Raman ont démontré leur potentiel pour guider le chirurgien dans la résection des tissus cancéreux en utilisant le contraste moléculaire des tissus. La plupart des implémentations actuelles se présentent sous la forme de sondes d'acquisition ponctuelle ou d'aiguilles dont le volume d'interrogation est restreint à moins de 500 μm de diamètre. D'autre part, le développement d'une sonde d'imagerie Raman ayant un plus grand champ de vue pourrait permettre une analyse moléculaire contextuelle du tissu atteint et ainsi améliorer la localisation des marges et des infiltrations de la tumeur. Dans ce mémoire, deux preuves de concepts de sondes d'imagerie Raman sont présentées. Ceux-ci ont démontré le potentiel futur de développer une sonde d'imagerie Raman capable d'imager un champ de vue de quelques millimètres de diamètre pour guider le chirurgien dans la résection de tumeur. Une première preuve de concept de sonde d'imagerie Raman a été assemblée pour démontrer la possibilité d'utiliser une matrice cohérente de fibres optiques pour faire de l'imagerie Raman à travers un câble flexible. La reconstruction des images hyperspectrale s'est faite à partir d'un filtre accordable à base de cristaux liquides et d'une caméra EMCCD. Le système a démontré sa capacité à reconstruire des images Raman sur un champ de vue de 25 mm2 avec une résolution spatiale de 55 μm. Un spectre Raman est associé à chaque pixel de l'image couvrant la plage spectrale de 453 à 1749 cm-1 avec une résolution moyenne de 95 cm-1. Pour valider les performances de la nouvelle sonde d'imagerie, des spectres individuels acquis par celle-ci ont été comparés à des spectres acquis par une sonde ponctuelle ayant déjà fait ses preuves. Une forte corrélation avec un coefficient de Pearson moyen R = 0.82 a été observée entre les spectres acquis avec les deux sondes sur des tissus adipeux et musculaires de viande porcine. La sonde d'imagerie a aussi démontré sa capacité à recréer des images moléculaires sur ces mêmes tissus en utilisant la classification par réseau de neurones. Toutefois, cette première implémentation s'est avérée très limitée par son très bas rapport signal sur bruit et sa faible résolution spectrale. De ce fait, plusieurs composants spectraux n'ont pas pu être imagés, limitant ainsi la possibilité du système à classifier des tissus dont le contraste moléculaire est plus faible telle que les tissus cancéreux et les tissus sains. De plus, cette première implémentation n'a pas permis de complètement refléter le concept d'une sonde facilement malléable avec des ports d'illumination et de détection séparés. Il demeure qu'il s'agit de la première utilisation dans la littérature d'une matrice cohérente de fibres pour faire de la spectroscopie Raman sur un champ de vue de quelques millimètres sur des échantillons biologiques. Une deuxième preuve de concept a été assemblée dans le but de surmonter les limitations de la première implémentation et d'atteindre des spécifications plus près des requis pour l'incorporation en clinique. Le but principal de cette deuxième implémentation consistait à reproduire des spectres Raman similaires à ceux de la sonde ponctuelle sur un champ de vue de quelques millimètres. La nouvelle sonde a été construite en utilisant la même matrice de fibres optiques, mais en changent le système de détection pour un miroir rotatif combiné à un spectromètre d'imagerie afin d'accroître le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale. La sonde a été redésignée de sorte à combiner l'illumination et la détection à l'intérieur d'un même port. Le système final a démontré sa capacité à recréer des spectres Raman avec une résolution spectrale de 6 cm-1 sur un champ de vue de 14 mm2 et une résolution spatiale supérieure à 115 μm. La meilleure résolution spectrale a permis l'identification de plusieurs pics Raman déjà répertoriés dans la littérature associés au contenu en protéine et en lipides des tissus de viande porcine et du cerveau de veau. La comparaison des spectres individuels du nouveau système avec la sonde ponctuelle a démontré une meilleure corrélation avec un coefficient de Pearson R>0.85. En utilisant les ratios entre les pics de protéines et de lipides, il a été possible de mettre en contraste les tissus adipeux et musculaires sur la viande porcine et la matière blanche et grise sur le cerveau de veau. Le système présenté dans ce projet de maîtrise pourrait potentiellement être adapté et utilisé à titre de sonde ou d'endoscope pour guider les chirurgies et ainsi assurer une résection plus complète des tumeurs.